一种静电离合器的制作方法

1.本发明涉及麦克风技术领域，特别是一种静电离合器。

背景技术：

2.目前所有的商用mems麦克风都在薄膜后面有一个背腔。这是一种半密封的空气体积，当有输入声波时，它会经历压缩和膨胀。对于一个确定的包装尺寸，这个背腔是必要的，以允许膜在外部压力波下移动。然而，这个背腔是目前最大的声学噪声源，因此也是麦克风中最大的声学信噪比限制器。后面的音量越小，来自它的声学噪声就越高。因此，除非封装尺寸做得很大，否则不可能实现大约74db信噪比以上的高信噪比麦克风。如果用真空代替背腔，并将mems的传感部分包含在真空内部，不仅可以有效地消除背腔噪声，而且还可以消除与膜运动有关的阻尼噪声(例如背板噪声)。在普通或较小尺寸的封装中实现非常高信噪比的唯一方法是使背面体积成为真空。
3.有两个重大的挑战于这种类型的真空背腔麦克风：(1)空气和真空之间1atm的压差会使一个正常的膜崩溃，因此需要一个非常硬的膜，这导致灵敏度非常低；(2)环境压力的显著变化导致膜位移的直流偏移变化，传统的转子-定子设计不起作用。
4.同时现有的麦克风需要一个背腔，这是最大的噪声源的一个国家的技术，商业可用的麦克风。这限制了信噪比，除非使用非常大的封装尺寸，这对于移动应用是不可行的。在传统封装尺寸下，除非使用真空腔，否则不可能实现非常高的麦克风信噪比，例如80分贝。
5.使用一个真空或低压腔，由一个面向大气的薄膜密封，产生了一个基本的测量挑战。大气压力的变化取决于用户和设备所处的环境，大约为100千帕。除了这种缓慢的直流压力变化之外，该设备还需要测量1帕量级的音频压力信号。
6.现有技术中的一个解决方案是在面向大气的膜和传感装置的转子部分之间具有耦合，该传感装置对于交流音频信号是“打开”，对于大气压力的低频或直流变化是“关闭”。这种离合器式的耦合行为可以通过频率依赖的静电力来实现。本发明中的静电离合器被设计为在转子和定子之间为交流声压信号实现耦合力，但不为大气压的缓慢“dc”变化耦合任何力，该变化通常在微米范围内改变面向大气的膜的中心变形。对于直流压力范围，转子和定子之间的刚度应该为零或最小，而交流音频压力的刚度应该很大。

技术实现要素：

7.本发明的目的是提供一种静电离合器，以解决现有技术中的技术问题，静电离合器包括两个机械部件，在它们之间存在静电力耦合，使得任一部件的运动在另一部件上产生力。
8.本发明提供了一种静电离合器，包括：
9.多个接地的高阻抗节点电极阵列，形成一刚性可动体；
10.多个偏置电极阵列，形成另一刚性可动体，使得当多个偏置电极阵列和多个高阻
抗节点电极阵列之间存在相对位移时，在它们之间产生静电力。
11.如上所述的一种静电离合器，其中，优选的是，在梳状结构的多个hin电极阵列的两个阵列和多个偏置电极阵列之间形成相应的通过通道，其中多个偏置电极阵列的每个阵列在相应的通过通道中来回移动。
12.如上所述的一种静电离合器，其中，优选的是，所述高阻抗节点电极阵电极的电阻部分与相邻的偏置电极阵列之间形成的电容组成具有截止频率的rc电路。
13.如上所述的一种静电离合器，其中，优选的是，所述高阻抗节点电极阵列包括若干高阻抗节点电极以及接地件，相邻的所述高阻抗节点电极之间设置有绝缘氧化硅层，所述接地件电性连接若干所述高阻抗节点电极后保持接地。
14.如上所述的一种静电离合器，其中，优选的是，所述高阻抗节点电极包括第一导电多晶硅层、电阻桥层以及第二导电多晶硅层，所述第一导电多晶硅层通过所述电阻桥层与所述第二导电多晶硅层电性连接；所述接地件电性连接若干所述第二导电多晶硅层后保持接地。
15.如上所述的一种静电离合器，其中，优选的是，在每个所述偏置电极阵列内，多个偏置电极中的两个相邻的所述偏置电极具有相反的极性，并且通过绝缘机械支架连接。
16.如上所述的一种静电离合器，其中，优选的是，每个偏置电极阵列还包括两个接地屏蔽电极，其设置在多个偏置电极阵列的每个阵列的两端。
17.如上所述的一种静电离合器，其中，优选的是，所述高阻抗节点电极阵列由调谐电阻材料以及多晶硅导电材料复合而成。
18.如上所述的一种静电离合器，其中，优选的是，所述高阻抗节点电极阵列由调谐电阻材料的整体块形成，所述调谐电阻材料连接到接地的导电材料上。
19.与现有技术相比，本发明的优点是允许麦克风在客户可能期望的大范围大气压力下工作。这是以纯被动的方式静电实现的，这比其他需要复杂的电子和主动控制的设计具有优势，由于在不考虑转子位置直流电变化的情况下，只需考虑转子的微小交流扰动，所以将膜与感测结构物理解耦，从而简化了感测结构的设计。
附图说明
20.图1是由接地的高阻抗节点电极阵列和单个偏置电极组成的静电离合器的结构示意图；
21.图2是使用硅工艺沉积形成的高阻抗节点电极阵列的结构示意图；
22.图3是高阻抗节点电极阵列的一层的电连接的俯视图；
23.图4是多个偏置电极具有交替极性的情况下的静电离合器的结构示意图；
24.图5是偏置电极阵列的端部设置接地屏蔽电极以增强刚度的情况下的静电离合器的结构示意图；
25.图6a、6b、6c和6d是本发明第一种结构mems电容式麦克风的结构示意图,其中静电离合器是具有带有不同大气压和声压组合的铰链悬臂式换能器的铰接悬臂换能器的一部分；
26.图7是本发明高阻抗节点电极阵列的另一种结构示意图。
具体实施方式
27.下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
28.为更好的对本实施例进行解释说明，特制定一三维坐标系，其中xy平面被认为平行于沉积mems层的硅管芯表面，z轴被认为垂直于这个面。
29.如图1至图5所示，本发明的实施例提供了一种静电离合器100，静电离合器100的设计是为了实现转子和定子之间的耦合力交流声压信号，但不耦合任何力缓慢的
‘
直流’变化的大气压力，这通常改变的中心变形的大气面对振膜203在微米范围内。对于直流电压范围，转子和定子之间的刚度应该为零或最小，静电离合器100包括：
30.高阻抗节点电极阵列101，作为所述静电离合器100的第一部件，通常充当离合器定子，两个所述高阻抗节点电极阵列101之间形成有通过通道，本实施例中，高阻抗节点电极阵列101优选的是包括若干高阻抗节点电极1011以及接地件1012，高阻抗节点电极1011越多，性能越高，然而，对于具有z轴转子位移的实施例，高阻抗节点电极1011的数量实际上受到工艺约束的限制。相邻的所述高阻抗节点电极1011之间设置有绝缘氧化硅层1013，所述接地件1012电性连接若干所述高阻抗节点电极1011后保持接地。
31.偏置电极阵列102，作为所述静电离合器100的第二部件，通常充当离合器转子，当然，本领域的技术人员可以知晓，高阻抗节点电极阵列101也可以充当离合器转子，而偏置电极阵列102充当离合器定子，在此不做限定。偏置电极阵列102的一端与振膜203连接，随着振膜203的偏移，所述偏置电极阵列102的另一端可于所述通过通道内往复移动，以使得所述偏置电极阵列102和所述高阻抗节点电极阵列101之间产生静电力。
32.所述高阻抗节点电极阵电极101的电阻部分与相邻的偏置电极阵列102之间形成的电容组成具有截止频率的rc电路。该截止频率确定在该频率以上静电离合器100在多个偏置电极阵列102与高阻抗节点电极阵电极101之间传递耦合力，在该频率以下静电耦合力显著减小或可忽略不计。
33.静电离合器100在音频频段频率上有效地“打开”，在低频上有效地“关闭”，该离合器充当rc高通滤波器，该rc高通滤波器耦合与音频信号相对应的振膜203的交流运动，但过滤由于大气压的缓慢变化而引起的振膜203的缓慢运动，通常在0.5-1atm范围内，例如，随着天气、高度或客机内部的变化而可能发生这种变化。
34.当偏置电极阵列102不运动或以低于截止频率的频率运动时，电荷自由地从高阻抗节点电极1011的表面流动或流动到高阻抗节点电极1011的表面上。这意味着当偏置电极阵列102相对于高阻抗节点电极阵列101缓慢移动时，频率低于截止值，离合器定子和离合器转子之间没有力耦合或相互作用。在这种情况下，离合器刚度近似为零。然而，当离合器转子以高于截止频率的频率运动时，由于偏置电极1021在铰链中诱导的电荷被捕获。通常，每个高阻抗节点电极1011的尺寸将比偏置电极1021小得多，从而对离合器转子的交流位移产生显著的恢复力。这对应于一个显著的耦合刚度。因此，滤波器是通过在面向大气的振膜203和电容感测结构300的转子部分之间的频率依赖的静电刚度来实现的。
35.参照图2和图3所示，所述高阻抗节点电极1011包括第一导电多晶硅层1014、电阻桥层1015以及第二导电多晶硅层1016，所述第一导电多晶硅层1014通过所述电阻桥层1015与所述第二导电多晶硅层1016电性连接；所述接地件1012电性连接若干所述第二导电多晶
硅层1016后保持接地。连接每一层到地面的电阻桥层1015材料可以是掺杂的多晶硅，用于制造二极管的材料或肖特基材料。这种材料的电阻率和电阻桥层1015可用于调节滚降频率，滚降频率决定了离合器不再驱动传感器传感部分的频率，滚降频率与1/rc成正比，其中r是电阻桥层1015的电阻，c是单个高阻抗节点电极1011与其所面对的偏置电极1021之间的电容。
36.参照图7所示，高阻抗节点电极阵列101也可以由调谐电阻材料1017以及多晶硅导电材料1018复合而成，多晶硅导电材料1018接地，这具有避免许多过程层的主要优点。对于高阻抗节点电极阵列101，在这种情况下，调谐电阻材料1017的电阻率将决定当偏置电极阵列102移动时电荷被局部捕获的频率，而不是单个电阻桥层的电阻决定滚降频率。该材料的接地可以由电阻率小于调谐电阻材料1017的电阻率的多晶硅层或其他导电材料提供。多晶硅导电材料1018在z轴上具有与调谐电阻材料1017的界面，并且具有在不面向偏置电极的表面上沿调谐电阻材料1017的z轴长度实现零电位的目的。另外还可以包括消除具有减小离合器z轴刚度的效果的绝缘层。
37.参照图4和图5所示，所述偏置电极阵列102包括若干偏置电极1021，若干偏置电极1021交替极性排列，相邻的所述偏置电极1021的极性相反且之间通过绝缘机械支架1022连接。所述偏置电极阵列102还包括接电屏蔽电极1023，所述接电屏蔽电极1023设于所述偏置电极阵列102的首尾两端。从而最小化离开两个所述高阻抗节点电极阵列101之间的通过通道的偏置电极1021的电场。杂散电场是离合器转子和定子之间在其直流位移范围内产生非零直流力的根源。当没有音频信号时，一个非零直流力驱动传感器的传感部分，这是不需要的。接电屏蔽电极1023在大气压力变化所需的微米的大距离范围内非常有效地将直流力降低到几乎为零。
38.基于上述的静电离合器100，本实施例还提供了一种mems电容式麦克风200，包括基底201、支撑部202以及振膜203，其中：所述振膜203通过支撑部202所述支撑在所述基底201上方，所述基底201、所述支撑部202、所述振膜203围成了真空腔204；所述振膜203靠近所述真空腔204的一侧通过连杆205连接静电离合器100；所述静电离合器100连接有电容感测结构300。
39.基底201可以采用单晶硅或者本领域技术人员所熟知的其它材质，并可通过逐层沉积、图案化、牺牲的工艺形成支撑部202以及通过支撑部202支撑在基底201上的振膜203。如有必要，在支撑部202与基底201之间还设置有绝缘层，在此不再具体说明。
40.真空腔204例如可由低压等离子体增强化学气相沉积(pecvd)在200-350℃下进行密封。这种mems工艺属于本领域技术人员的公知常识，在此不再具体说明。其中真空腔204优选小于1kpa，这使得真空腔204中的残余气体粘度大大低于标准压力下的空气粘度。
41.由于振膜203与基底201之间形成了低于大气压力的真空腔204，因此振膜203在大气压力下且无声压时会发生静态偏转，即振膜203会朝向基底201的方向发生静态偏转,电荷自由地从高阻抗节点电极1011的表面流动或流动到高阻抗节点电极1011的表面上。这意味着当偏置电极阵列102相对于高阻抗节点电极阵列101缓慢移动时，频率低于截止值，离合器定子和离合器转子之间没有力耦合或相互作用,电容感测结构300内的电容结构输出的电信号不变。当振膜203以高于截止频率的频率运动时，静电离合器100产生静电力，驱动电容结构输出变化的电信号。
42.本发明提供了多种结构形式的mems电容式麦克风200，可以知晓的是本领域的技术人员可以根据所提供的麦克风结构，推断出更多的变形实施例，在此不做限定。
43.参照图6a、6b、6c以及6d所示，所展示的为本发明的第一种结构mems电容式麦克风200，静电离合器100与电容感测结构300均设于真空腔204内，所述静电离合器100还包括有第一连接部103以及第二连接部104，所述第一连接部103的一端与所述连杆205连接，所述第一连接部103的另一端连接有若干所述偏置电极阵列102，若干偏置电极阵列102构成静电离合器100的转子，振膜203的偏移会引起偏置电极阵列102同步移位。
44.所述第二连接部104设有两个，两个所述第二连接部104对称设于所述第一连接部103的相对两侧，每个所述第二连接部104的一端均设有若干所述高阻抗节点电极阵列101，每个所述第二连接部104的另一端均与所述电容感测结构300连接，若干高阻抗节点电极阵列101构成静电离合器100的定子。
45.若干所述高阻抗节点电极阵列101和若干所述偏置电极阵列102均为梳齿状排布，若干所述高阻抗节点电极阵列101和若干所述偏置电极阵列102在空间上分离并且所述高阻抗节点电极阵列101与所述偏置电极阵列102相互交叉。此结构提供相对较大的位移、降低声学噪声并提供高灵敏度。
46.所述电容感测结构300包括第一杠杆301、第一支撑部302、第一感测动电极303以及第一感测静电极304，所述第一杠杆301的杆体枢接于所述第一支撑部302上，所述第一杠杆301的一端与所述第二连接部104连接，所述第一杠杆301的另一端与所述第一感测动电极303连接，所述第一感测静电极304与所述第一感测动电极303相对，第一感测静电极304和第一感测动电极303构成了可以输出变化电信号的电容器结构。
47.通过振膜203振动，静电离合器100被激活，产生静电力，离合器定子在离合器转子的交流位移下发生偏移，从而激活第一杠杆301的一端，第一杠杆301通过放大静电离合器100的位移来增加机械灵敏度。第一杠杆301上的第一感测动电极303同步发生移动，第一感测静电极304和第一感测动电极303之间的正对面积发生变化，使得电容器结构可以输出变化的电信号。电容器结构的工作原理属于本领域技术人员的公知常识。
48.图6a、图6b、图6c和图6d之间的区别说明了本发明的工作原理。在图6a中，存在相对高的dc大气压而没有ac声压，导致静电离合器转子的相对低的位置并且第一感测动电极303没有位移。对于具有与图6a中相同大气压的声压信号，图6b示出了在ac声信号的低压部分时的位移。在这种情况下，静电离合器是活动的，导致第一感测动电极303的位移，并因此产生信号。图6c示出了相对较低的dc大气压导致静电离合器转子的相对较高位置的替代情况，然而，由于静电离合器处于非活动状态，第一感测动电极303的位置与图6a中相同。当施加ac声压时，感测电极和产生的信号的移动与图6b中相同。这种只测量交流声压而不测量直流大气压力的能力，使得感测结构简单，并具有高灵敏度。
49.在一个实施例中，高阻抗节点电极阵列101由没有任何绝缘间隔物的调谐电阻材料的整体块形成；调谐电阻材料直接连接到接地的导电材料上，没有电阻桥1015。
50.以上依据图式所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。

技术特征：

1.一种静电离合器，其特征在于，包括：多个接地的高阻抗节点电极阵列，形成一刚性可动体；多个偏置电极阵列，形成另一刚性可动体，使得当多个偏置电极阵列和多个高阻抗节点电极阵列之间存在相对位移时，在它们之间产生静电力。2.根据权利要求1所述的静电离合器，其特征在于：在梳状结构的多个hin电极阵列的两个阵列和多个偏置电极阵列之间形成相应的通过通道，其中多个偏置电极阵列的每个阵列在相应的通过通道中来回移动。3.根据权利要求1所述的静电离合器，其特征在于：所述高阻抗节点电极阵电极的电阻部分与相邻的偏置电极阵列之间形成的电容组成具有截止频率的rc电路。4.根据权利要求1所述的静电离合器，其特征在于：所述高阻抗节点电极阵列包括若干高阻抗节点电极以及接地件，相邻的所述高阻抗节点电极之间设置有绝缘氧化硅层，所述接地件电性连接若干所述高阻抗节点电极后保持接地。5.根据权利要求4所述的静电离合器，其特征在于：所述高阻抗节点电极包括第一导电多晶硅层、电阻桥层以及第二导电多晶硅层，所述第一导电多晶硅层通过所述电阻桥层与所述第二导电多晶硅层电性连接；所述接地件电性连接若干所述第二导电多晶硅层后保持接地。6.根据权利要求1所述的静电离合器，其特征在于：在每个所述偏置电极阵列内，多个偏置电极中的两个相邻的所述偏置电极具有相反的极性，并且通过绝缘机械支架连接。7.根据权利要求4所述的静电离合器，其特征在于：每个偏置电极阵列还包括两个接地屏蔽电极，其设置在多个偏置电极阵列的每个阵列的两端。8.根据权利要求1所述的静电离合器，其特征在于：所述高阻抗节点电极阵列由调谐电阻材料以及多晶硅导电材料复合而成。9.根据权利要求1所述的静电离合器，其特征在于：所述高阻抗节点电极阵列由调谐电阻材料的整体块形成，所述调谐电阻材料连接到接地的导电材料上。

技术总结

本发明公开了一种静电离合器，静电离合器包括：多个接地的高阻抗节点电极阵列，形成一刚性可动体；多个偏置电极阵列，形成另一刚性可动体，使得当多个偏置电极阵列和多个高阻抗节点电极阵列之间存在相对位移时，在它们之间产生静电力。与现有技术相比，本发明的优点是允许麦克风在客户可能期望的大范围大气压力下工作。这是以纯被动的方式静电实现的，这比其他需要复杂的电子和主动控制的设计具有优势，由于在不考虑转子位置直流电变化的情况下，只需考虑转子的微小交流扰动，所以将膜与感测结构物理解耦，从而简化了感测结构的设计。计。计。